Факторы и количественные характеристики стока воды

Об основных природных и антропогенных факторах, опреде­ляющих сток воды, уже много говорилось выше, в частности, когда речь шла о питании рек. Это прежде всего факторы кли­матические, а также факторы подстилающей поверхности и хозяй­ственная деятельность человека (гл. 3, разд. 6.4—6.7). Количе­ственные характеристики физико-географических и геологических условий речных бассейнов, влияющих на сток, были рассмотрены в разд. 6.3.3. Рассмотрим теперь основные количественные ха­рактеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: рас­ход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока.

Главнейшая характеристика стока воды реки — это расход воды, т. е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q, м³/с). Измерениями определяют лишь сред­ний расход воды в данном гидрометрическом створе за время из­мерения (на больших реках это может быть интервал времени, измеряемый часами). Процесс измерения расходов воды на реках довольно трудоемок, и поэтому число измерений в течение года обычно ограничено. Для расчета средних суточных величин расхода воды в практической гидрологии обычно используют графики свя­зи уровней, измерение которых трудностей не представляет, и эпи­зодически измеренных расходов воды (разд. 6.9). По таким графи­кам (их называют «кривыми расходов» или графиками Q=f(H)) расходы воды могут быть определены по данным об уровнях для любого дня вне зависимости от того, измерялся в этот день сам расход воды или нет. По полученным таким образом средним су­точным расходам воды можно построить гидрограф, как, например, на рис. 6.9—6.11.

К числу характерных расходов воды относят расходы различ­ных фаз водного и ледового режима реки, например максималь­ные (пиковые) расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т.д.

Расходы воды реки подвержены непрерывным изменениям. В гидрологии рек существуют два основных подхода при анализе их изменений. При первом — генетическом — анализируют при­чины изменения стока, выявляют связь колебаний стока с опреде­ляющими, в основном климатическими факторами. При втором — вероятностном — оценивают вероятность наступления на дан­ной реке тех или иных расходов воды: чем больше отличается расход воды реки в данный момент в большую или меньшую сто­рону от некоторой средней величины («нормы»), тем меньше веро­ятность такого явления. В гидрологии разработана целая система специальных методов статистической и вероятностной оценки ко­лебаний речного стока при наличии, недостатке и отсутствии дан­ных наблюдений. Такие расчеты оказываются необходимыми при проектировании и строительстве различных гидротехнических со­оружений на реках.

В гидрологии широко используют понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени At (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет). Такие расходы воды рассчитывают по формулам вида

q=-£q„ (6.18)

^П / = 1

где Q_i — средние суточные расходы воды; п — число суток в рас­сматриваемом интервале времени. Так, например, средний годовой расход воды в обычный (невисокосный) год определяют путем

суммирования всех средних суточных расходов воды за год и деле­ния суммы на 365.

Точно так же средний многолетний расход воды (его часто называют «нормой стока» и обозначают через Q₀) определяют по формуле

(6.19)

где Qj — средние годовые расходы воды; N— число лет.

О

(6.20)

W = QAt,

где W — объем стока, м³; Q — средний расход воды за интервал времени At (Q в м³/с, At в с). Для больших рек W часто удобнее выразить в км³ (особенно если речь идет о годовых величинах). В этих условиях применяют формулу

W

(6.21)

В тех случаях, когда интервал времени At — год (в году 31,5 • 10⁶ с), вместо формул (6.20) и (6.21) записывают

W = Q • 31,5 • 10⁶; W = Q • 31,5 * IQ ³,

(6.22)

(6.23)

где в первом случае W в м³, во втором — в км³.

Заметим, что принятое количество секунд в году (31,5 • 10⁶) вполне достаточная с точки зрения точности величина для многих гидро­логических вычислений. Но в тех случаях, когда требуется большая точность, надо учитывать, что в обычном году 31,54-10⁶ с, в висо­косном — 31,62 • 10⁶ с, в «среднем» — 31,56 • 10⁶ с. Точно так же по­лезно помнить, что в январе, марте, мае, июле, августе, октябре, декабре 2,68 • 10⁶ с, в апреле, июне, сентябре, ноябре 2,59 • 10⁶ с, в феврале в обычный год 2,42 • 10⁶ с, в високосный — 2,51 • 10⁶ с, а в сутках 8,64 • 10⁴ с.

Слой стока — это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади водосбора и выраженного в милли­метрах:

И'Чм³) • 10-³ _ И^(км³) • 10⁶ F ~ F

Здесь у в мм, F в км².

Модуль стока воды — это количество воды, стекающее с едини­цы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды обозначают через М, л/(с • км²), и рассчитывают по формуле

(6.25)

где Q — любой расход воды (как мгновенный, например макси­мальный, так и средний за интервал времени At).

Сравнивая формулы (6.21), (6.24) и (6.25), легко получить со­отношение между модулем и слоем стока:

у

(6.26)

г

(6.27)

у = М- 31,5.

К

(6.28)

а = у/х= Y/X.

Здесь >> и х в мм, Y и X в м³ или км³. Коэффициент стока обычно рассчитывают для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков, либо для гидрологического года. Иногда рассчиты­вают коэффициент стока и за половодье; в этом случае слой стока за половодье делят на слой воды, складывающийся из атмосферных осадков на период половодья и запасов воды в снежном покрове, накопившемся за предшествующую зиму. Напомним, что коэффи­циент стока — величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1.

Приведем пример расчета характеристик стока воды. Средний многолетний годовой расход воды Волги у с. Верхнее Лебяжье (вершина дельты) за весь ряд наблюдений 1881—2002 гг. составил 7780 м³/с. Площадь бассейна Волги 1 360 ООО км², осадки на поверх­ность бассейна в среднем равны 660 мм в год. По формуле (6.23) рассчитываем средний многолетний объем стока воды: он равен 245 км³ в год. Средние многолетние годовые величины слоя стока и модуля стока определим по формулам (6.24) и (6.25): они соста­вят соответственно 180 мм и 5,7 л/(с-км²). Коэффициент стока, рассчитанный по формуле (6.28), равен 0,27.